DE3046903A1 - CONVERTER DEVICE WORKING WITH ACOUSTIC SURFACE WAVES FOR A DEVICE FOR RECORDING OR PLAYING BACK INFORMATION - Google Patents

Description

RCA 71316RCA 71316

US-Ser.No. 103,444
AT: H.Dezember 1979US Ser. No. 103.444
AT: H. December 1979

RCA CorporationRCA Corporation

New York, N.Y. (V.St.A.)New York, N.Y. (V.St.A.)

Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Handlervorrichtung für ein Gerät zum Aufzeichnen oder Abspielen von Information Handling device using surface acoustic waves for a device for recording or playing back information

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Wandlerstifte zum Aufzeichnen und Abspielen von Information, die mit hoher Dichte auf einem Aufzeichnungsträger, beispielsweise einer scheibenflörmigen Platte, aufgezeichnet ist.The present invention relates to a transducer device according to the preamble of claim 1. In particular, the invention relates to transducer pins which operate with surface acoustic waves for recording and playing back information at high density on a recording medium, for example a disk-shaped one Disk, is recorded.

Es gibt bereits die verschiedensten Verfahren zum Aufzeichnen und Abspielen von Information. In der Audioindustrie werden im allgemeinen elektromechanische Verfahren verwendet, bei denen eine Rillenmodulation, die einem Audiosignal entspricht, in einem Lackmaster aufgezeichnet wird. Zum Abspielen der auf der Oberfläche eines Aufzeichnungsträgers, wie einer Schallplatte, aufgezeichneten Information verwendet man üblicherweise passive Wandler mit einem Abtaststift und einem elektromechanischen Wandlersystem.There are already a wide variety of methods for recording and playing back information. In the audio industry, the general electromechanical processes are used in which a groove modulation, which corresponds to an audio signal, is recorded in a lacquer master. To play back the data on the surface of a recording medium, like a phonograph record, recorded information one usually uses passive transducers with a stylus and an electromechanical transducer system.

Es ist auch bereits bekannt, daß Bildplatten mit einem piezoelektrischen Druckgeber oder -sensor abgespielt werden können. Dieses System, das im wesentlichen eine Weiterentwicklung der Schal 1-It is also already known that video disks can be played back with a piezoelectric pressure transmitter or sensor. This system, which is essentially a further development of the scarf 1-

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platte darstellt, liefert ziemlich gute Ergebnisse, insbesondere wenn der Abtaststift (Nadel) sowie der Aufzeichnungsträger sauber und neu sind.plate gives pretty good results, especially when the stylus (needle) and the recording medium are clean and new.

Ein Schneidkopf zum elektromecha-nischen Aufzeichnen eines Videosignals in einem Metallmaster ist aus der US-PS 38 65 997 (J.B.Halter) bekannt. Die modulierte Rille im Master wird hier mit einem Schneidstift geschnitten, der entsprechend der aufzuzeichnenden Videoinformation gesteuert wird.A cutting head for electromechanical recording of a video signal in a metal master is from US Pat. No. 3,865,997 (J.B. Halter) known. The modulated groove in the master is cut here with a cutting pen according to the video information to be recorded is controlled.

Diese "passiven" Wandlersysteme haben sich in der Praxis ganz gut bewährt, obgleich sie eine Anzahl von Problemen aufweisen. Beispielsweise können bei piezoelektrischen Aufzeichnungssystemen Resonanzerscheinungen auftreten, die kostspielige Maßnahmen und Kompromisse hinsichtlich des Betriebsverhaltens erforderlich machen. Ein Mangel der derzeitigen Schreibsysteme besteht darin, daß sie hinsichtlich der Aufzeichnung hochfrequenter Informationssignale oft an der Grenze ihrer praktischen Leistungsfähigkeit arbeiten müssen.These "passive" converter systems have proven themselves in practice have worked quite well, although they have a number of problems. For example resonance phenomena can occur in piezoelectric recording systems, which require costly measures and compromises make necessary with regard to the operating behavior. One shortcoming of current writing systems is that they do not record high-frequency information signals often have to work at the limit of their practical capabilities.

Diese und andere Mängel lassen sich durch die Verwendung sogenannter aktiver Wandlervorrichtungen vermeiden. Bei einem aktiven Signal aufnehmer wird Energie auf ein Ziel fokussiert, z.B. auf ein Informationsbit, das sich auf der Oberfläche einer Aufzeichnung befindet, und die reflektierte Energie enthält, bis zu einem gewissen Grade ähnlich wie beim Radar, die aufgezeichnete Signal information. Ein aktives Wandlersystem, das sich zum optischen Aufzeichnen und Abspielen von Videoinformation auf bzw. von Bildplatten eignet, ist aus der US-PS 40 97 895 bekannt. Dieses System arbeitet gut, es ist jedoch wie die meisten optischen Systeme verhältnismäßig kompliziert, da ein Laser und eine entsprechende Präzisionsoptik benötigt wird. Außerdem sind die Energieverluste bei der übertragung im allgemeinen hoch.These and other shortcomings can be avoided by using so-called active converter devices. With an active Signal pickup, energy is focused on a target, e.g. on a Bit of information that is on the surface of a recording, and the reflected energy contains, somewhat similar to radar, the recorded signal information. A Active transducer system that is used for optical recording and playback of video information on or from optical disks is from US-PS 40 97 895 known. This system works well, but like most optical systems, it is relatively complicated because a laser and corresponding precision optics are required. In addition, the energy losses in transmission are generally high.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obigen Mängel zu vermeiden und ein effizientes Aufzeichnungs/Wiedergabesystem anzugeben, das wenig kostet und mit einem aktiven Wandler arbeitet.It is an object of the present invention to obviate the above shortcomings and to provide an efficient recording / reproducing system indicate that costs little and works with an active converter.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention characterized in claim 1.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine mit Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung geschaffen, die bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Substrat und ein auf dessen einem Ende angeordnetes, fächerförmiges, verzahntes Elektrodensystem enthält. Die mit Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung kann als Stift oder Nadel zum Aufzeichnen und/oder Abspielen von Informationssignalen auf ein bzw. von einem Aufzeichnungsträger verwendet werden.The present invention is one with surface waves working device created which, in a preferred embodiment, comprises a substrate and a substrate arranged on one end thereof, contains fan-shaped, toothed electrode system. The one with surface waves Working device can be used as a pen or needle for recording and / or playing back information signals on or from a recording medium be used.

Es ist ferner möglich, die Vorrichtung gemäß der Erfindung für andere Anwendungen als Aufzeichnung und Wiedergabe zu verwenden, insbesondere biologische Anwendungen (Chirurgie), mechanische Änderungen oder Bearbeitung von sehr kleinen Flächen von Mikroschaltungen, Identifizierung verschiedener Materialien aufgrund ihrer akustischen Eigenschaften und die Bestimmung der Dicke dünner Schichten.It is also possible to use the device according to the invention for applications other than recording and reproduction, in particular biological applications (surgery), mechanical modifications or machining of very small areas of microcircuits, identification different materials due to their acoustic properties and the determination of the thickness of thin layers.

Weitere Merkmale und Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung gehen aus der nun folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele der Erfindung hervor.Further features and advantages of the device according to FIG The invention will become apparent from the following description of specific exemplary embodiments of the invention, which refers to the drawings.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Wandlerstift gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;Fig. 1 is a plan view of a surface acoustic wave working transducer pin according to an embodiment of Invention;

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Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht der Spitze des Wandlerstiftes gemäß Fig. 1;Figure 2 is an enlarged side view of the tip of the transducer pen according to FIG. 1;

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild eines verzahnten Wandlersystems gemäß der Erfindung;3 shows an equivalent circuit diagram of a toothed converter system according to the invention;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Abspielgerätes;4 shows a schematic representation of a playback device operating with surface acoustic waves;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Aufzeichnung von Information in einem aus Metall bestehenden Aufzeichnungsträger mittels eines Wandlers, der mit akustischen Oberflächenwellen arbeitet;5 shows a schematic representation of an arrangement for recording information in a recording medium made of metal by means of a transducer that works with surface acoustic waves is working;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Aufzeichnungsgerätes, das mit akustischen Oberflächenwellen arbeitet;6 shows a schematic representation of a recording device, that works with surface acoustic waves;

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Wandlervorrichtung des in Fig. 1 dargestellten Typs, undFIG. 7 shows a further embodiment of a transducer device operating with surface acoustic waves of the one shown in FIG. 1 Type, and

Fig. 8 eine mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Wandlervorrichtung, die ein Reflektorelektrodensystem aufweist.8 shows a working with surface acoustic waves Converter device comprising a reflector electrode system.

Bei einer mit akustischen Oberflächenwellen (im folgenden kurz SAW = surface acoustic waves) arbeitenden Vorrichtung breitet sich die Energie längs der Oberfläche eines Substrats innerhalb einer Schicht mit einer Dicke von etwa einer Wellenlänge aus. Die akustische Belastung der Oberfläche, längs derer sich die Energie ausbreitet, beeinflußt die Ausbreitungseigenschaften der SAW-Vorrichtung. Die Belastung einer Ausbreitungsfläche durch Luft ergibt z.B. schon meßbare Ausbreitungsverluste und eine Belastung durch sehr dünne molekulare Schichten auf derIn the case of one with surface acoustic waves (hereinafter short SAW = surface acoustic waves) working device spreads the energy along the surface of a substrate within a layer approximately one wavelength thick. The acoustic load the surface along which the energy propagates affects the propagation characteristics of the SAW device. The load on an expansion area through air, for example, there are already measurable propagation losses and exposure to very thin molecular layers on the

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Oberfläche kann zur Erzeugung von Oberwellen der akustischen Schwingungen führen. Wenn ein SAW-Bündel auf einen kleinen Bereich einer Oberfläche konzentriert wird, sind die akustischen Oberflächenwellen offensichtlich besonders empfindlich gegen eine akustische Belastung des betreffenden Bereiches. Bei der vorliegenden Vorrichtung wird von der Wirkung einer akustischen Belastung konzentrierter akustischer Oberflächenwellen Gebrauch gemacht.Surface can lead to the generation of harmonics of acoustic vibrations. When a SAW bundle hits a small area one Surface is concentrated, are the surface acoustic waves obviously particularly sensitive to acoustic exposure of the area concerned. In the present device of the Effect of acoustic exposure to concentrated surface acoustic waves Made use of.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Wandlervorrichtung in Form eines Stiftes 1. Der Stift 1 besteht aus einem Substrat 3, das vorteilhafterweise aus einem piezoelektrischen Material, wie Lithium-Niobat oder einem Quartzeinkristall bestehen kann. Das eine Ende 5 des Substrats 3 ist verjüngt oder zugespitzt, was z.B. durch Abschleifen der Seiten des Substrats 3 auf einen eingeschlossenen Winkel von 60° bewirkt werden kann, und bildet eine Spitze 6. Am spitzen Ende 5 ist auf einer Oberfläche des Substrats 3 eine fächerförmige Elektrode 7 durch ein in der SAW-Technik bekanntes Verfahren aufgebracht. Die Elektrode 7 enthält zwei Leiter 9 und 11 mit Fingern 10, die ineinander verzahnt sind und Paare von gekrümmten, ineinandergreifenden Leitern bilden (es können z.B. 20 Paare von Leitern vorgesehen sein). Die Elektrode 7 nimmt auf dem spitzen Ende 5 vorteilhafterweise einen Winkel ein, der etwas kleiner ist als der Winkel des.spitzen Endes 5 und beispielsweise 50° beträgt. Der Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Fingern 10 der Elektrode wird gleich einer halben Wellenlänge des anzulegenden Signales gemacht. Bei einem besonders vorteilhaften Format wurden die Stifte aus Quarzplatten mitY-Schnitt gebildet und waren typischerweise längs einer x-Achse 1,5 cm lang, 5 mm breit und die Breite der Spitze 6 betrug 10 bis 20 pm.Fig. 1 shows a plan view of a transducer device in the form of a pen 1. The pen 1 consists of a substrate 3, which advantageously made of a piezoelectric material such as lithium niobate or a single quartz crystal. One end of 5 of the Substrate 3 is tapered or pointed, which can be achieved, for example, by grinding the Sides of the substrate 3 can be caused to an included angle of 60 °, and forms a point 6. At the pointed end 5 is on a Surface of the substrate 3, a fan-shaped electrode 7 is applied by a method known in SAW technology. The electrode 7 contains two conductors 9 and 11 with fingers 10 which are interlocked and Form pairs of curved, interlocking conductors (e.g. 20 pairs of conductors may be provided). The electrode 7 takes on the pointed end 5 advantageously an angle that is somewhat smaller is than the angle des.spitzen End 5 and is, for example, 50 °. The distance between the successive fingers 10 of the electrode is made equal to half a wavelength of the signal to be applied. In a particularly advantageous format, the pins were formed from Y-cut quartz plates and were typically along an x-axis 1.5 cm long, 5 mm wide and the width of the tip 6 was 10 to 20 μm.

Eine vergrößerte Seitenansicht des spitzen Endes 5 ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Darstellung ist das spitze Ende 5 außerdem unter einem Winkel φ zusätzlich angeschärft, so daß es die Form des Buges eines Bootes hat. Der Winkel Φ beträgt typischerweise etwa 75°An enlarged side view of the pointed end 5 is shown in FIG. In this illustration, the pointed end 5 is also additionally sharpened at an angle φ so that it has the shape of the Has bowes of a boat. The angle Φ is typically about 75 °

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und die Dimension b beträgt etwa 10"bis 20 um.and dimension b is about 10 "to 20 µm.

Die Elektrode 7 ist so geformt, daß die Leistung der akustischen Oberflächenwellen (SAW-Leistung) auf die Spitze des Stiftes fokussiert wird. Es wurde festgestellt, daß das Verhalten der akustischen Oberflächenwellen an der Spitze des Stiftes davon abhängt, ob sich die Spitze in Berührung mit einem anderen Material befindet oder nicht und wenn sie sich in Kontakt mit einem anderen Material befindet, von den akustischen Eigenschaften des berührten Materials. Wenn das spitze Ende frei ist, werden praktisch die ganzen auf die Spitze 6 fokussierten Wellen zur Elektrode 7 reflektiert (analog einem offenen Ende eines Wellenleiters). Wenn die Spitze 6 jedoch ein anderes Material berührt, wird ein Teil der fokussierten Leistung zur Elektrode 7 reflektiert, ein anderer Teil wird in dem berührten Material absorbiert und wieder ein anderer Teil erzeugt Schwingungen in der Masse des Substratmaterials. Der Betrag und die Phase der von der Spitze 6 reflektierten SAW-Leistung sind kennzeichnend für die akustische Belastung. Wenn der vorliegende Abtaststift als Signal aufnehmer verwendet wird, treten die reflektierten akustischen Schwingungen mit den zugeführten akustischen Schwingungen in , Interferenz und die Impedanz des Stiftes 1 wird moduliert, so daß wenn der Stift eine Oberfläche eines Aufzeichnungsträgers berührt, in dem Information in Form von Grübchen gespeichert ist, die an den Leitern 9 und 11 meßbare Impedanz des Stiftes 1 sich entsprechend der in der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers gespeicherten Information ändert. D.h. daß die Grübchenbereiche eine bestimmte akustische Belastung bewirken und die Bereiche ohne Grübchen eine andere akustische Belastung.The electrode 7 is shaped so that the performance of the acoustic Surface waves (SAW power) focused on the tip of the pen will. It has been found that the behavior of the surface acoustic waves at the tip of the pen depends on whether the Tip is in contact with another material or not and if it is in contact with another material, of the acoustic properties of the material touched. When the pointed end is free, practically all of them will be focused on the point 6 Waves reflected to the electrode 7 (analogous to an open end of a waveguide). If, however, the tip 6 touches another material, part of the focused power is reflected to the electrode 7, another part Part is absorbed in the touched material and another part creates vibrations in the bulk of the substrate material. Of the The amount and phase of the SAW power reflected by the tip 6 are characteristic of the acoustic exposure. If the present If the stylus is used as a signal pick-up, the reflected acoustic vibrations occur with the supplied acoustic vibrations , Interference and the impedance of the pen 1 is modulated so that if the pen touches a surface of a recording medium in which information is stored in the form of pits which are attached to the conductors 9 and 11 measurable impedance of the stylus 1 varies according to that in the surface the information stored on the recording medium changes. That is, the dimple areas cause a certain acoustic load and the areas without dimples have a different acoustic load.

Die vorliegende Wandler- oder Aufnehmervorrichtung erfaßt offensichtlich die akustische Belastung an der Spitze 6 des Stiftes und nicht die Bewegung des Stiftes als Ganzes. Dies ist ein wesentlicher, prinzipieller Unterschied gegenüber der Arbeitsweise anderer elektromagnetischer Wandlervorrichtungen, bei denen grobe mechanische Beanspruchungen des Abtaststiftes als Ganzes in piezoelektrische Ausgangssignale umgesetzt werden.The present transducer or pickup device detects obviously the acoustic load at the tip 6 of the pen and not the movement of the pen as a whole. This is an essential fundamental difference compared to the operation of other electromagnetic Converter devices in which gross mechanical stresses on the stylus as a whole are converted into piezoelectric output signals implemented.

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Eiη Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen verzahnten Wandlersystems ist in Fig. 3 dargestellt. Eine akustische Oberflächenwelle, die von einer ersten Seite 21 (Port oder Anschluß 1) des verzahnten Wandlers 27 durch ein Übertragungsmedium 25 zur Spitze 20 (Port 0) gesendet wird, wird durch Umwandlung des Schwingungstyps in longitudinal oder Masseschwingungen und durch übergang in ein etwa mit der Spitze in Berührung befindliches Material zum Teil verbraucht. Dieser Leistungsverlust ist durch einen Lastwiderstand R. dargestellt, der den Anschluß 0 abschließt Die von der anderen Seite 22 (Port oder Anschluß 2) des verzahnten Wandlers abgestrahlte SAW-Leistung wird durch ein geeignetes Medium absorbiert, so daß keine Leistung reflektiert wird. Dieses Verhalten wird durch einen Abschluß des Anschlusses 2 durch den Wellenwiderstand R_Q dargestellt. Die Eingangsseite 23 (Anschluß oder Port 3) des verzahnten Wandlers 23, d.h. der Anschluß, dem Leistung zugeführt wird, vervollständigt die Beschreibung des verzahnten Wandlers als drei schenk!iges bzw. drei An-Schlüsse aufweisendes übertragungsglied.An equivalent circuit diagram of the toothed converter system according to the invention is shown in FIG. 3. A surface acoustic wave which is sent from a first side 21 (port or connection 1) of the toothed transducer 27 through a transmission medium 25 to the tip 20 (port 0) is generated by converting the vibration type into longitudinal or mass vibrations and by transitioning into approximately with the material in contact with the tip is partly consumed. This power loss is represented by a load resistor R. which terminates terminal 0. The SAW power radiated from the other side 22 (port or terminal 2) of the interleaved transducer is absorbed by a suitable medium so that no power is reflected. This behavior is represented by the termination of the connection 2 by the characteristic impedance R _Q. The input side 23 (connection or port 3) of the interlocked converter 23, ie the connection to which power is supplied, completes the description of the interlocked converter as a transmission element having three legs or three connections.

Ungefähr die Hälfte der durch den verzahnten Wandler 27 erzeugten SAW-Leistung wird vom verzahnten Wandler in der der Spitze entgegengesetzten Richtung abgestrahlt, also zum Anschluß 2. Um einen etwa möglichen Interferenz- oder Störeffekt nach Möglichkeit zu vermeiden, den die im Anschluß 2 erzeugte Leistung haben könnte, wird ein nichtdargestellter akustischer Absorber, z.B. ein Stück Zellulose-Klebestreifen, an der Oberfläche des Stiftes hinter der verzahnten Elektrode angebracht. Ein solcher Absorber absorbiert nicht nur die nach hinten, d.h. zum Anschluß 2 hin abgestrahlte SAW-Leistung des Wandlers, sondern auch die von der Spitze reflektierte Leistung, die zur verzahnten Elektrode zurückkehrt, jedoch von dieser nicht aufgenommen wird. Eine gesteuerte Reflektoranordnung, mit der diese hier nutzlos vernichtete Leistung erhalten werden kann, wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert werden.About half of the SAW power generated by the interlocking transducer 27 is from the interlocking transducer in the opposite direction to the peak Direction emitted, i.e. to connection 2. In order to avoid any possible interference or disruptive effect as far as possible, which the power generated in connection 2 could have is not shown acoustic absorber, e.g. a piece of cellulose adhesive tape, attached to the surface of the pen behind the toothed electrode. Such an absorber not only absorbs the backwards, i.e. to the connection 2 radiated SAW power of the transducer, but also the power reflected from the tip that returns to the toothed electrode, however, it is not absorbed by this. A controlled reflector assembly, with which this uselessly destroyed power can be obtained will be explained with reference to FIG.

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Wenn sich der Stift 1 in einem freien Zustand befindet, d.h. keinen Kontakt mit einem Aufzeichnungsmedium macht, erscheint die Impedanz des verzahnten Wandlers 27 primär kapazitiv (ein verzahnter Wandler der in Fig. 1 dargestellten Art wird dann beispielsweise eine Kapazität von etwa 2,3 pF haben). Mit dem verzahnten Wandler 27 kann eine abstimmbare Induktivität 29 in Reihe geschaltet werden, um die Wandlerkapazität zu kompensieren.When the pen 1 is in a free state, i.e. does not make contact with a recording medium, the appears Impedance of the toothed transducer 27 is primarily capacitive (a toothed transducer of the type shown in FIG. 1 is then, for example, a Capacity of about 2.3 pF). With the interlocked converter 27, a tunable inductance 29 can be connected in series to provide the converter capacitance to compensate.

Wenn die Spitze des Stiftes in Berührung mit anderen Materialien gebracht wird, geht ein Teil der einfallenden Leistung auf diese Materialien über. Außerdem findet ein Obergang von Leistung in eine reflektierte Longitudinal- oder Massewelle sowie in eine SAW-Welle statt, die zurück zum verzahnten Wandler abgestrahlt wird. Die reflektierte akustische Oberflächenwelle interferiert mit der erzeugten akustischen Oberflächenwelle und bewirkt dadurch eine Änderung der Impedanz des Wandlers.When the tip of the pen is brought into contact with other materials, some of the incident power is lost these materials over. In addition, there is a transition from performance to reflected longitudinal or mass wave as well as a SAW wave instead, which is radiated back to the toothed transducer. The reflected surface acoustic wave interferes with the generated acoustic Surface wave and thereby causes a change in the impedance of the Converter.

Die Impedanzänderung des Wandlers 27 scheint auch von der Kontaktkraft, die auf den Stift einwirkt, und der Zusammensetzung des vom Stift berührten Materials abzuhängen. Die Impedanzänderung aufgrund der auf den Stift einwirkenden Berührungs- oder Kontaktkraft strebt einem End- oder Sättigungswert zu, wenn die Kontaktkraft über einen vorgegebenen Wert ansteigt ; mit dem in Fig. 1 dargestellten Stift wurde beispielsweise experimentell ermittelt, daß sich die Impedanzänderungen bei Werten der Kontaktkraft, die über einem Gramm liegen, nivellieren. Die Tatsache, daß die Materialzusammensetzung die Impedanzänderungen beeinflußt, macht es möglich, den Stift gemäß Fig. 1 zur Identifizierung spezieller Materialien zu verwenden, indem man die durch eine unbekannte Probe verursachte Impedanzänderung mit Impedanzänderungen vergleicht, die durch Standardproben verursacht werden.The change in impedance of the transducer 27 also appears to be of the Contact force that acts on the pen and the composition of the material touched by the pen depend. The change in impedance due to the touch or contact force acting on the pen tends to a final or saturation value when the contact force exceeds a predetermined value Value increases; with the pen shown in FIG. 1, for example, it was experimentally determined that the impedance changes at values the contact force that is greater than one gram. The fact that the material composition affects the impedance changes makes it is possible to use the pen of Figure 1 to identify specific materials by being caused by an unknown sample Compare impedance change with impedance changes caused by standard samples.

Fig. 4 zeigt stark vereinfacht eine SAW-Abspiel vorrichtung, bei der eine Wandlervorrichtung gemäß der Erfindung Verwendung finden kann. Ein Band 51, das z.B. aus einem Kunststoff auf VinylbasisFig. 4 shows a greatly simplified SAW playback device, in which a converter device according to the invention can be used. A tape 51 made, for example, of a vinyl-based plastic

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bestehen kann, wird relativ zu einem Abtaststift 53 bewegt, der entsprechend dem Stift gemäß Fig. 1 ausgebildet sein kann. Der Abtaststift 53 ist in einer Halterung 55 so gehaltert, daß seine Spitze auf der Oberfläche des Bandes 51 aufliegt.may exist, is moved relative to a stylus 53, which can be designed in accordance with the pen of FIG. The tracer pen 53 is held in a holder 55 in such a way that its tip rests on the surface of the belt 51.

Bei einem typischen System enthält das Band 51 eine Informationsspur 61 aus einer Folge von beabstandeten Grübchen 63, die in der Oberfläche des Bandes 51 gebildet sind. Die Änderungen der Länge und der Abstände der Grübchen stellen eine in der Oberfläche des Bandes aufgezeichnete Information dar. Die Informationsspur 61 enthält ungestörte Oberflächenbereiche, die im Wandler des Stiftes 53 eine erste Impedanz ergeben (d.h. der Wandler des Stiftes 53 wird akustisch belastet), und Grübchenbereiche, die sich mit den ungestörten Bereichen abwechseln und im Wandler des Stiftes 53 eine zweite Impedanz erzeugen (d.h. daß der Wandler des Stiftes 53 eine Impedanz annimmt, die im wesentlichen gleich der Impedanz des Wandlers im freien Zustand ist.)In a typical system, tape 51 includes an information track 61 made up of a series of spaced apart dimples 63 located in the Surface of the belt 51 are formed. The changes in the length and spacing of the pits represent information recorded in the surface of the tape. The information track 61 contains undisturbed information Surface areas which give a first impedance in the transducer of the pen 53 (i.e. the transducer of the pen 53 is acoustically loaded), and Dimple areas that alternate with the undisturbed areas and create a second impedance in the transducer of pen 53 (i.e. that the Transducer of pin 53 assumes an impedance which is substantially equal to the impedance of the transducer in the free state.)

Die Signale vom Abtaststift 53 werden über einen Demodulator 65 einer Signalverarbeitungsschaltung 67 zugeführt. Die vorher auf dem Aufzeichnungsträger, also dem Band 51 aufgezeichneten Informationssignale stehen dann am Ausgang der Signalverarbeitungsschaltung 67 zur Verfugung. Wenn auf dem Aufzeichnungsträger ein Farbfernsehsignal aufgezeichnet worden war, kann das Ausgangssignal der Signalverarbeitungsschal tung 67 einem nichtdargestellten Farbfernsehempfänger zur Wiedergabe der aufgezeichneten Fernsehsignal zugeführt werden.The signals from the stylus 53 are fed to a signal processing circuit 67 via a demodulator 65. The previously on Information signals recorded on the recording medium, that is to say on the tape 51, are then available at the output of the signal processing circuit 67 Disposal. If a color television signal had been recorded on the recording medium, the output signal of the signal processing circuit 67 can be fed to a color television receiver (not shown) for reproducing the recorded television signal.

Um mit einem SAW-Stift der in Fig. 1 dargestellten Signal eine Signalaufzeichnung zu bewirken, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, wird mit einer höheren Steuerleistung gearbeitet. Führt man einem bei einigen hundert Megahertz arbeitenden Wandlerstift eine elektrische Steuerleistung von einem Watt zu, so tritt an der wenige pm breiten (typischerweise 2 χ 2 pm) Spitze des Stiftes eine SAW-Leistungsdichte inIn order to effect a signal recording of the signal shown in Fig. 1 with a SAW pen, as shown in Fig. 6, a higher tax rate is used. If you run an electrical transducer pin working at a few hundred megahertz Control power of one watt increases, so occurs at a few pm wide (typically 2 χ 2 pm) tip of the pen has a SAW power density in

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der Größenordnung von 10 W/cm auf. Dieser Betrag der Leistungsdichte der akustischen Oberflächenwellen entspricht einer mechanischen Bean-of the order of 10 W / cm. This amount of power density of the surface acoustic waves corresponds to a mechanical

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spruchung von etwa 100 kp/mm (100 kg-wt/mm ) und einer Amplitude der Spitzenbewegung von mehreren Nanometern. Obwohl die Leistung der akustischen Oberflächenwellen an der Spitze des Stiftes nicht ganz auf den Aufzeichnungsträger übertragen wird, steht an der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers, die sich in Berührung mit der Stiftspitze befindet, genügend Leistung zur Verfugung, um die Oberfläche dort zu stören oder zu deformieren. Diese Betriebsart, die zwar etwas an dfe eines mechanische Schwingungen ausführenden Schneidwerkzeugs erinnert, unterscheidet sich von dieser darin, daß die Schwingungsamplitude der Spitze klein ist und daß der Stift selbst keine groben mechanischen Schwingungsbewegungen ausführt.stress of about 100 kp / mm (100 kg-wt / mm) and an amplitude of Tip movement of several nanometers. Although the performance of the acoustic Surface waves at the tip of the pen don't quite affect the Recording medium is transferred, is on the surface of the recording medium, that is in contact with the pen tip, enough power is available to disturb or disturb the surface there deform. This operating mode, although somewhat like a mechanical one Recalled vibrations executing cutting tool differs from this in that the vibration amplitude of the tip is small and that the pen itself does not carry out any rough mechanical oscillating movements.

Das Aufzeichnungsvermögen des Stiftes wird erhöht, wenn die Leistung P<-_Aw an der Spitze stark konzentriert wird. Der größte Teil der SAW-Leistung ist innerhalb einer Wellenlänge der Ausbreitungsoberfläche konzentriert und die Konzentration an der Spitze ist daher besonders hoch, wenn die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen relativ kurz ist.The recording ability of the pen is increased when the power P <- _{Aw is} strongly concentrated at the tip. Most of the SAW power is concentrated within one wavelength of the propagation surface and the concentration at the tip is therefore particularly high when the wavelength of the surface acoustic waves is relatively short.

Eine hohe Leistungskonzentration der akustischen Oberfl ächenwell ei an der Spitze des Stiftes läßt sich auch durch Erhöhung der elektrischen Eingangsleistung P erhalten, hier sind jedoch Grenzen durch die Gefahr eines dielektrischen Durchschlages zwischen den verzahnten Elektroden gesetzt. Die obere Grenze der Leistung in der verzahnten Elektrodenstruktur hängt insbesondere von der Anzahl N der Elektrodenfingerpaare ab.A high power concentration of the acoustic surface corrugation at the tip of the pen can also be achieved by increasing the electrical input power P obtained, but here are limits due to the risk of dielectric breakdown between the toothed Electrodes set. The upper limit of the power in the toothed electrode structure depends in particular on the number N of electrode finger pairs away.

Fig. 5 zeigt einen Aufbau zur Aufzeichnung von Information in einem aus Metall (z.B: Kupfer) bestehenden AufzeichnungsträgerFig. 5 shows a structure for recording information in a recording medium made of metal (e.g. copper)

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Die Aufzeichnung erfolgt mit einem SAW-Wandlerstift 72, der so angeordnet ist, daß die Spitze 74 des Wandlerstiftes unter einem Winkel α (typischerweise 45°) auf der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums 70 aufsitzt. Es wird angenommen, daß durch eine schräge Anordnung des Stiftes ein besseres Schneiden des Stiftes in Metall erreicht werden kann, wenn die Schärfe, Härte und Orientierung der Spitze des Stiftes (der beispielsweise aus Quarz besteht) bezüglich der Oberfläche des Aufzeichnungsträgers wichtig sind.The recording is made with a SAW transducer pen 72 which is so arranged is that the tip 74 of the transducer pin is at an angle α (typically 45 °) sits on the surface of the recording medium 70. It is believed that by placing the pin at an angle, better cutting of the pin in metal can be achieved when the Sharpness, hardness and orientation of the tip of the pen (which consists for example of quartz) with respect to the surface of the recording medium are important.

In Fig. 6 ist ein SAW-Äufzeichnungssystem schematisch dargestellt, bei dem eine Wandlervorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Ein Band 101, das vorteilhafterweise aus einem Kunststoff auf Vinyl basis bestehen kann, wird bezüglich eines Wandlerstiftes 103 transportiert, der demgemäß Fig. 1 entsprechen kann. Der Wandlerstift 103 ist in einem Träger 105 so gehaltert, daß die Spitze des Stiftes die Oberfläche des Bandes 101 berührt.In Fig. 6, a SAW recording system is shown schematically, in which a transducer device according to the invention can be used. A band 101, which is advantageously made of a plastic may be based on vinyl, a transducer pin 103 transported, which can accordingly correspond to FIG. The transducer pin 103 is held in a carrier 105 so that the tip of the pin Surface of the belt 101 touches.

Dem Stift 103 werden Signale von einer Signal quelle über einen Modulator 107 zugeführt, um Wellungen oder Vertiefungen 111 zu bilden, die die Informationssignale darstellen. Diese Art des Betriebes entspricht weitgehend dem anhand von Fig. 4 erläuterten Abspiel betrieb mit jedoch einer wesentlichen Ausnahme: Beim Aufzeichnungsbetrieb wird dem Stift 103 eine so hohe Leistung zugeführt, daß eine Deformation des Aufzeichnungsträgers oder Bandes 101 eintritt, die die aufzuzeichnende Information darstellt, während die dem Stift beim Abspielen zugeführte Leistung für eine Deformation des Aufzeichnungsträgers nicht ausreicht.The pin 103 receives signals from a signal source a modulator 107 is supplied to corrugations or depressions 111 to which represent the information signals. This type of operation largely corresponds to the playback operation explained with reference to FIG with one major exception: In the recording mode, the pen 103 is supplied with such a high power that a deformation of the recording medium or tape 101 occurs, the one to be recorded Represents information, while the power supplied to the pen during playback is insufficient for deforming the recording medium.

Eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen SAW-Wandlervorrichtung ist in Fig. 7 dargestellt. Bei gewissen Anwendungen kann der Veschleiß der Spitze des Stiftes ein Problem werden und ein härteres Substrat wünschenswert sein. Bei derA side view of an alternative embodiment of a SAW converter device according to the invention is shown in FIG. 7. In certain applications, the tip of the pen may wear out Problem and a harder substrate would be desirable. In the

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Ausführungsform gemäß Fig. 7 hat der Stift 81 ein Substrat 83 aus einem verhältnismäßig harten, nicht piezoelektrischen Material, wie z.B. Diamant oder Saphir. Auf dem Substrat befindet sich ein verzahntes Elektrodensystem 85 ähnlich dem,das unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde. Außerdem ist über dem Elektrodensystem 85 und dieses bedeckend eine dünne piezoelektrische Schicht 87 vorgesehen, die z.B. 0,4 \im dick sein und aus ZnO bestehen kann. Bei dieser Ausführungsform wird die Wandlerfunktion durch die dünne, piezoelektrische Schicht 87 ausgeübt.7, the pin 81 has a substrate 83 made of a relatively hard, non-piezoelectric material such as diamond or sapphire. An interdigitated electrode system 85 similar to that described with reference to FIG. 1 is located on the substrate. In addition, a thin piezoelectric layer 87 is provided over and covering the electrode system 85, which layer can be, for example, 0.4 μm thick and consist of ZnO. In this embodiment, the transducer function is performed by the thin, piezoelectric layer 87.

Die Empfindlichkeit einer SAW-Vorrichtung kann durch eine Maßnahme verbessert werden, die anhand des in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert werden soll. Die dort dargestellte SAW-Wandlervorrichtung 91 hat ein Substrat 93, auf dessen Oberfläche eine verzahnte Elektrode 95 aufgebracht ist, die Kontakte oder Anschlüsse 92 und 94 aufweist. Zwischen die langgestreckten Kontakte und 94 der verzahnten Elektrode 95 ist eine zweite verzahnte Elektrode 96 eingeschachtelt, die als Reflektor wirkt. Die Reflektorelektrode 96 ist typischerweise derart auf dem Substrat 93 angeordnet, daß der Abstand zwischen der verzahnten Reflektorelektrode 96 und der verzahnten Hauptelektrode 95 gleich λ(η + 1/4) ist, wobei λ die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen und η eine ganze Zahl sind. Die Reflektorelektrode 96 trägt zu einer weiteren.Fokussierung und Konzentration der akustischen Oberflächenwellenenergie an der Spitze des Stiftes bei.The sensitivity of a SAW device can be determined by a Measure to be improved based on the embodiment shown in FIG of the invention is to be explained. The SAW converter device 91 shown there has a substrate 93 on its surface a toothed electrode 95 is applied, which has contacts or connections 92 and 94. Between the elongated contacts and 94 of the toothed electrode 95 is nested a second toothed electrode 96 which acts as a reflector. The reflector electrode 96 is typically arranged on the substrate 93 such that the distance between the toothed reflector electrode 96 and the toothed main electrode 95 is λ (η + 1/4), where λ is the wavelength of the surface acoustic waves and η are an integer. The reflector electrode 96 contributes to a further focus and concentration the surface acoustic wave energy at the tip of the pen at.

Die beschriebenen Ausführungsfortnen lassen sich in der verschiedensten Weise abwandeln. Z.B. kann auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 eine Reflektorelektrode vorgesehen sein. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 kann die piezoelektrische Schicht zwischen dem Substrat und der verzahnten Elektrode bzw. den verzahnten Elektroden angeordnet sein.The execution fortnen described can be found in the modify in various ways. For example, a reflector electrode can also be provided in the embodiment according to FIG. In the embodiment According to FIG. 7, the piezoelectric layer can be between the substrate and the toothed electrode or the toothed electrodes be arranged.

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Claims (10)

PATENTANWÄLTE '
DR. DIETER V. BEZÖLD' DIPL. INC. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLERPATENT LAWYERS '
DR. DIETER V. BEZÖLD 'DIPL. INC. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER MARiA-THERESlA-STRASSE 22 POSTFACH 86 02 60MARiA-THERESlA-STRASSE 22 PO Box 86 02 60 D-8OOO MUENCHEN βόD-8OOO MUENCHEN βό RCA 71316
US-Ser.No. 103,444RCA 71316
US Ser. No. 103.444 AT: U.Dezember 1979AT: December U, 1979 RCA CorporationRCA Corporation New York, N.Y. (V.St.A.)New York, N.Y. (V.St.A.) ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMTAPPROVED BY THE EUROPEAN PATENT OFFICE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES ΠΝ BREVr.TS EUROPEENSEUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES ΠΝ BREVr.TS EUROPEENS TELEFON 089/4 70 60 06 TELEX 522 638 TELEGRAMM SOMOtZTELEPHONE 089/4 70 60 06 TELEX 522 638 TELEGRAM SOMOTZ Mit akustischen Oberflächenwell en arbeitende Wandlervorrichtung für ein Gerät zum Aufzeichnen oder Abspielen von Information A transducer device working with acoustic surface waves for a device for recording or playing back information PatentansprücheClaims 1 JMit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Wandlervorrichtung, insbesondere für ein Gerät zum Aufzeichnen oder Abspielen von Information, die die Form von Oberflächenänderungen hat, auf einen bzw. von einem insbesondere scheibenförmigen Aufzeichnungsträger, gekennzeichnet durch ein längliches Bauelement (3), welches sich am einen Ende zu einer Spitze (6) verjüngt und in mindestens einem Teil die Ausbreitung von akustischen Oberflächenwellen zuläßt, und durch eine in der Nähe der Spitze (6) angeordnete Elektrodenanordnung (7) zur Fokussierung von akustischen Oberflächenwellen auf die Spitze.1 J transducer device operating with surface acoustic waves, in particular for a device for recording or playing back information in the form of surface changes, onto or from an in particular disc-shaped recording medium, characterized by an elongated component (3) which tapers at one end to a point (6) and in at least one part allows the propagation of surface acoustic waves, and through one in the vicinity of the tip (6) arranged electrode arrangement (7) for focusing acoustic Surface waves on the tip. 130036/0696130036/0696 PO5ISCH6CK MÖNCHEN NR. 69148-800PO5ISCH6CK MÖNCHEN NR. 69148-800 BANKKONTO HYPOBANK MÖNCHEN (BLZ 70 20040) KTO. 6060257378 SWIFT HYPO DE MMBANK ACCOUNT HYPOBANK MÖNCHEN (BLZ 70 20040) KTO. 6060257378 SWIFT HYPO DE MM 2. Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß die fokussierende Elektrodenanordnung eine fächerförmige, verzahnte Elektrode enthält.2. converter device according to claim 1, characterized gekennzei that the focusing electrode arrangement contains a fan-shaped, toothed electrode. 3. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chnet, daß die ^fächerförmige verzahnte Elektrode (7) gekrümmte Finger (10) enthält.3. converter device according to claim 2, characterized in that the ^ fan-shaped toothed electrode (7) contains curved fingers (10). 4. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fächerförmige Elektrode (7) derart auf dem Bauelement (3) angeordnet ist, daß sich der schmälste Abschnitt der fächerförmigen Elektrode in der Nähe des schmälsten Teiles des sich verjüngenden Endes des Bauteiles befindet.4. converter device according to claim 2 or 3, characterized in that the fan-shaped Electrode (7) is arranged on the component (3) that the narrowest portion of the fan-shaped electrode in the vicinity of the the narrowest part of the tapered end of the component is located. 5. Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4 zum Abspielen von Information, die auf der Oberfläche eines Aufzeichnungsträgers aufgezeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit der verzahnten Elektrode (7) eine Vorrichtung zum Erzeugen von akustischen Oberwellen auf der Oberfläche mindestens eines Bereiches des Bauelementes gekoppelt ist und daß mit der verzahnten Elektrode ferner eine Anordnung zum Erfassen von Impedanzänderungen der verzahnten Elektrode gekoppelt ist, welche die auf dem Aufzeichnungsträger aufgezeichneten Informationssignale repräsentieren.5. converter device according to claim 2, 3 or 4 for Playing back information recorded on the surface of a recording medium, characterized in that, that with the toothed electrode (7) a device for generating acoustic harmonics on the surface at least of a region of the component is coupled and that with the toothed electrode furthermore an arrangement for detecting changes in impedance is coupled to the toothed electrode which represent the information signals recorded on the record carrier. 6. Wandlervorrichtung nach Anspruchs, dadurch gekennzei chnet, daß das Bauelement (3) an dem der Spitze (6) entgegengesetzten Ende einen Schaft aufweist und daß eine reflektierende verzahnte Elektrode zwischen der fächerförmigen verzahnten Elektrode (7) und dem Schaftende des Bauelements angeordnet ist.6. converter device according to claim, characterized gekennzei chnet that the component (3) on which the Tip (6) opposite end has a shaft and that a reflective toothed electrode between the fan-shaped toothed Electrode (7) and the shaft end of the component is arranged. 7. Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement aus einem piezoelektrischen Material besteht.7. converter device according to one of the preceding claims, characterized in that the Component consists of a piezoelectric material. 130036/0696130036/0696 8. Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der fächerförmigen verzahnten Elektrode (7) eine piezoelektrische Schicht angeordnet ist.8. converter device according to one of claims 2 to 6, characterized in that a piezoelectric layer is arranged on the fan-shaped toothed electrode (7) is. 9. Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
verzahnten Elektroden (7, 85, 95, 96) jeweils zwei beabstandete
Anschlüsse (9, 11; 92, 94; 96) aufweisen von denen jeweils fingerförmige Leiterteile (10) in Richtung auf den jeweils anderen Anschluß vorspringen;9. converter device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the
toothed electrodes (7, 85, 95, 96) each two spaced
Connections (9, 11; 92, 94; 96) have finger-shaped conductor parts (10) from each of which protrude in the direction of the other connection; daß sich die fingerförmigen Leiterteile der beiden Anschlüssethat the finger-shaped conductor parts of the two connections in Längsrichtung (x) des Bauelements (3, 83, 93) abwechseln;alternate in the longitudinal direction (x) of the component (3, 83, 93); und daß die fingerförmigen Leiterteile (10) in Richtung zur Spitze (6) des Bauelements konkav gekrümmt sind .and that the finger-shaped conductor parts (10) in the direction of the tip (6) of the component are concave. 10. Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet,' daß die
fokussierende Elektrode (7, 85, 95) einen zur Spitze (6) des Bauelements (3, 83, 93) konzentrischen Kreissektor einnimmt.10. Converter device according to one of claims 1 to 9, characterized in that 'that the
focussing electrode (7, 85, 95) occupies a circular sector concentric to the tip (6) of the component (3, 83, 93). 130036/0696130036/0696